A Zalety i wady konstrukcji stalowych.
Zalety konstrukcji stalowych:
- wysoka wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie i zginanie, oraz duża
wytrzymałość na ścinanie, dzięki czemu zużywa się niewielkie ilości materiału,
- jednorodność struktury i niezmienność właściwości mechanicznych w czasie ( możliwość
bardzo dokładnego obliczania i wykorzystania konstrukcji),
- stal jako materiał odpowiada dobrze założeniom, na których oparte są hipotezy
wytrzymałościowe i metody wymiarowania,
- niezawodność pracy – wyroby wykonywane są w wyspecjalizowanych zakładach
przemysłowych pod fachową kontrolą, co daje gwarancję wysokiej jakości wyrobów i
konstrukcji,
- niewielka masa konstrukcji, dzięki dużej wytrzymałości,
- wygoda w transporcie i montażu konstrukcji,
- wykonawstwo i montaż są możliwe prawie niezależnie od pory roku i warunków klimatycznych, co zapewnia szybkie tempo budowy,
- możliwość znacznego uprzemysłowienia produkcji,
- konstrukcje stalowe łatwo wzmacniać i przerabiać, rozbiórka konstrukcji, w razie
uszkodzenia budowli lub zakończenia jej eksploatacji, odbywa się szybko i nie przysparza
zbyt wiele trudności. Elementy rozbiórkowe można stosować powtórnie, lub stanowią one cenny surowiec do produkcji nowych wyrobów stalowych
Konstrukcje stalowe mają też, niestety wady:
- wrażliwość na korozję,
- mała odporność na wysoką temperaturę i ogień,
- słabe parametry akustyczne,
- wysoka cena materiału,
- niektóre gatunki stali cechuje ponadto wrażliwość na obciążenia udarowe, zmęczenie od obciążeń dynamicznych, oraz kruchość elementów
w niskich temperaturach.
Wady te można można częściowo ograniczyć lub wyeliminować odpowiednim doborem gatunku stali lub zwiększonymi wymaganiami ochrony przeciwpożarowej
B Rodzaje budowlanych konstrukcji stalowych.
1. Konstrukcje prętowe - konstrukcje nośne w postaci szkieletu prętowego, z podstawowymi częściami będącymi elementami pełnościennymi lub kratowymi, takimi jak słupy, belki, łuki.
Mają one zastosowanie jako:
- szkielety budynków przemysłowych, takich jak hale jedno lub wielonawowe przemysłowe,magazynowe, wiaty (wraz z belkami podsuwnicowymi, pomostami roboczymi), itp.
- przekrycia dachowe o dużych rozpiętościach i inne elementy konstrukcyjne w obiektach użyteczności publicznej, takich jak hale sportowe, wystawowe i dworcowe, hangary, sale teatralne i kinowe, itp.
- szkielety konstrukcyjne budynków wielokondygnacyjnych,
- mosty drogowe i kolejowe, kładki dla pieszych,
- konstrukcje specjalne – maszty i wieże radiowe i telewizyjne, telefonii komórkowej,
konstrukcje wsporcze kolei linowych, słupy elektrycznych linii przesyłowych, estakady itp
2. Konstrukcje wiszące, w których zamiast sztywnych elementów stosowane są cięgna w
postaci drutów, lin, łańcuchów. Konstrukcje takie stosuje się w przypadku przekryć o
dużych rozpiętościach, mostów itp.
3. Konstrukcje z blach stalowych w postaci płyt i powłok, mające zastosowanie w zbiornikach na ciecze i gazy, silosach, kominach, rurociągach
C Podział stali ze wzg. na stopień odtlenienia.
W zależności od stopnia odtlenienia rozróżnia się następujące rodzaje stali:
- stal nieuspokojoną, odtlenioną zwykle tylko manganem, który obniża zawartość FeO, ale nie do tego stopnia, aby zapobiec reakcji FeO + C = Fe + CO, w wyniku której z krzepnącego wlewka wydzielają się gazy, dając zjawisko tzw.„wrzenia”. Wlewek po skrzepnięciu ma liczne pęcherze i zwiększoną zawartość węgla do 0,2%, manganu do 0,5%, oraz zanieczyszczenia w postaci siarki i fosforu.
- stal półuspokojoną, odtlenioną silniej niż poprzednia, oprócz manganu stosuje się mały dodatek krzemu (0,15%) Wlewek krzepnie bez „wrzenia”, ale wydzielają się gazy w postaci pęcherzy wewnętrznych. Uzyskuje się w ten sposób większy uzysk materiału z wlewka stali
- stal uspokojoną, odtlenioną krzemem (0,15 – 0,35%) i częściowo glinem, do tego stopnia, że przy krzepnięciu wlewka nie zachodzą żadne reakcje z wydzielaniem się gazów. Wlewki są wolne od wad, poza częścią górną, którą odcina się i odrzuca przy przeróbce
plastycznej.
Wyższy stopień uspokojenia stali oznacza podwyższenie jej jakości, oraz zmniejszenie skłonności do pęknięć na gorąco i zimno.
D Wytwarzanie konstrukcji stalowych – podstawowe procesy.
Procesy wytwarzania stali
Stal jest to stop żelaza (Fe) z węglem (C) i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesach stalowniczych, obrabiany plastycznie.
Maksymalna zawartość węgla w stali wynosi 2%. W budownictwie stosuje się stale o zawartości węgla od 0,2 do 0,7%, przy czym w stalach na konstrukce ilość węgla nie przekracza 0,3%.
Masowa technologia produkcji stali polega na dwustopniowym przerobie rudy żelaza na stal surową.
Rudy żelaza:
- magnetyt Fe3O4 o zawartości Fe 45 – 70% tlenki bezwodne
- hematyt Fe2O3 o zawartości Fe 30 – 64% tlenki bezwodne
- limonit 2Fe2O33H2O o zawartości Fe 25 – 45% uwodniony tlenek żelaza
- syderyt FeCO3 o zawartości Fe 30 – 40% węglany
W pierwszej fazie przerobu w wielkim piecu następuje redukcja żelaza jako pierwiastka ze związków rud i oddzielenie go od tzw. skały płonnej. Produktem jest surówka żelaza.
W drugim etapie w piecach martenowskich, piecach elektrycznych lub konwertorach tlenowych usuwane są z surówki domieszki do granic wymaganych, i zanieczyszczenia do granic dopuszczalnych.Proces ten odbywa się w warunkach utleniających, a produktem procesu jest stal.
Proces ciągłego odlewania stali (80-90% przeróbki stali)
• Nowoczesny proces ciągłego odlewania stali eliminuje konieczność odtleniania stali.
• Proces składa się z szeregu operacji, od których zależy jakość odlanego wlewka ciągłego
• Ciekła stal z kadzi odlewniczej po otwarciu wylewu napełnia kadź pośrednią, z której podawana jest do krystalizatorów, które intensywnie chłodzone są wodą
• Stal w krystalizatorach, krzepnie na ich ściankach i głowicy urządzenia startowego.
Gdy poziom stali nad tą głowicą osiągnie wysokość 300 – 400 mm, uruchamia się rolki ciągnące oraz mechanizm oscylacji krystalizatora
Do głównych zalet ciągłego odlewania należą:
- duża wydajność i możliwość odlewania kilkudziesięciu wytopów bez zatrzymywania
urządzenia
- dobra makrostruktura wlewka
- duży uzysk kęsów
- brak walcowni wstępnej
Do wad ciągłego odlewania należą:
- duży koszt urządzenia
- ograniczenie wymiarów poprzecznych wl
Technologia wytwarzania półwyrobów i wyrobów stalowych
Podstawowym procesem przeróbki plastycznej jest walcowanie. Rozróżnia się walcowanie na gorąco, przy którym następuje wzrost twardości materiału walcowanego i walcowanie na zimno, powodujące wystąpienie tzw. zgniotu
Walce mogą być gładkie, służące do wyrobu blach i bruzdowe z odpowiednimi bruzdami, które nadają wyrobom walcowanym żądany kształt przekroju poprzecznego
Materiałem wyjściowym do wytwarzania półwyrobów i wyrobów są wlewki stalowe,
otrzymywane z procesów stalowniczych. Wlewki podgrzewa się do temperatury zwykle
950ºC i walcuje się na zgniataczu, otrzymując półwyroby o przekroju kwadratowym lub
prostokątnym (kęsy i kęsiska – bloki o przekroju 140 x 140mm lub grubości 80 – 120 mm,
oraz tuleje o przekroju pierścieniowym). Po przewalcowaniu każdy półwyrób kieruje się na nożyce, gdzie odcina się końce zawierające zanieczyszczenia.
Walcowanie półwyrobów na walcarkach gładkich lub bruzdowych - otrzymuje się w ten sposób: pręty, kształtowniki, blachy, rury. Następnie wyroby prostuje się, tnie na części, sprawdza wymiary i jakość.
Przeciąganie – obróbka plastyczna na zimno, gdzie walcowany pręt stalowy przeciąga się przez otwór ciągadła o wymiarach nieco mniejszych. Tą metodą wyrabia się druty, pręty i rury cienkościenne o dokładnych wymiarach.
Kształtowanie na zimno – profile cienkościenne produkuje się na giętarkach, krawędziarkach, prasach do gięcia. Do produkcji profili cienkościennych stosuje się blachy walcowane na zimno o dobrych właściwościach mechanicznych i grubości od 1,5 do 5,0 mm
E. Wymienić główne składniki (dodatki) stopowe stali i krótko opisać wpływa na stal, 3 z nich.
1,65% - Mn (mangan); 0,5%-Si (krzem); 0,4%-Cu (miedź);
0.4% - Pb (ołów); 0,3%-Cr (chrom); 0,3%-Ni (nikiel);
0,1% - Al (glin); 0,1%-Co (kobalt); 0,1%-V (wanad);
0.1% - W (wolfram); 0.1% - Te (tellur); 0.1% - Se (selen)
0.1% - Bi (bizmut); 0,08% - Mo (molibden); 0.06% - Nb (niob)
0,05% - La (lantan); 0.05% - Ti (tytan); 0.05% - Zr (cyrkon);
0.0008% - B (bor)
Węgiel – C jest podstawowym składnikiem stali, decydującym o właściwościach mechanicznych stali. Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali zwiększa się twardość, granica plastyczności i wytrzymałość doraźna. Obniżają się natomiast właściwości plastyczne stali: udarność, wydłużenie i przewężenie.
Mangan – Mn w stali węglowej jest wprowadzany głównie w celu związania siarki i tlenu. W stali niskostopowej mangan przy ilości większej od 0,8%, zwiększa wytrzymałość i hartowność, a przy ilości do 2% zwiększa udarność i odporność na ścieranie. Dopuszczalną zawartość manganu w stali ustala się w zależności od ilości węgla. Między innymi ocena spawalności metalurgicznej zależy od tzw. równoważnika węgla CE, wyrażonego wzorem:
CE = C + Mn/6 + (Cr + V + Mo)/5 + (Ni + Cu)/15
Spełnienie warunku CE < 0,42% oznacza, że stal jest dobrze spawalna, gdy CE = 0,42 – 0,60%, to wymagane jest podgrzanie elementów stalowych
przed spawaniem, a powyżej także dodatkowa obróbka cieplna
Krzem – Si w stali węglowej spełnia funkcję odtleniacza. Krzem zwiększa twardość, wytrzymałość na rozciąganie, a zwłaszcza sprężystość stali, wpływa niekorzystnie na wydłużenie, przewężenie, udarność i spawalność.
Aluminium – Al działa odtleniająco, wiążąc gazy: tlen i azot. Dodatek aluminium 0,02% gwarantuje wysoki stopień uspokojenia stali i zapewnia wysoką udarność stali oraz odporność na kruche pękanie w obniżonej temperaturze.
Chrom – Cr podobnie jak mangan, zwiększa twardość stali, jej wytrzymałość na rozciąganie oraz granicę plastyczności i sprężystości.
Chrom tworzy z węglem trwałe węgliki...
ossad